Chao-Yang Lu
Μετάφραση – Επιστημονική επιμέλεια: Βασίλης Λεμπέσης
Επιμέλεια μετάφρασης: Κέλη Σπυροπούλου
Ο Serge Haroche είναι Γάλλος φυσικός που τιμήθηκε το 2012 με το βραβείο Νόμπελ στη φυσική για τις καινοτόμες πειραματικές μεθόδους που μας επέτρεψαν να μετρήσουμε και να χειριστούμε μεμονωμένα κβαντικά συστήματα. Ουσιαστικά, με τις έρευνες του Haroche άνοιξε ο δρόμος για την πραγματοποίηση των περίφημων νοητικών πειραμάτων (gedankenexperimenten), τα οποία συνέβαλαν στη θεωρητική θεμελίωση της κβαντικής μηχανικής. Από το 2011 ο Serge Haroche κατέχει την έδρα της κβαντικής φυσικής στο Collège de France. Το InScience σας παρουσιάζει σήμερα μια συνέντευξή του στο περιοδικό Advanced Photonics, στην οποία ο Haroche παρουσιάζει σε ευρύτερο κοινό τη ζωή του και το έργο του, καθώς και τις απόψεις του για την πορεία της επιστήμης.
Lu: Καθηγητά Haroche, γεια σας, χαίρομαι που σας ξαναβλέπω! Ας ξεκινήσουμε τη συνέντευξη. Το 2012, εσείς και ο David Wineland κερδίσατε το Νόμπελ στη Φυσική. Μπορείτε να περιγράψετε τη δουλειά σας με απλά λόγια σε ένα ευρύ κοινό; Και μπορείτε να μας πείτε πώς αρχικά ενδιαφερθήκατε και ξεκινήσατε την ενασχόλησή σας με αυτόν τον τομέα;
Haroche: Ίσως θα έπρεπε να ξεκινήσω με το δεύτερο μέρος της ερώτησης. Ενδιαφέρθηκα για την ατομική φυσική όταν ήμουν φοιτητής στην École Normale Supérieure (ENS) στο Παρίσι τη δεκαετία του 1960. Οι μέντορές μου, Alfred Kastler, Jean Brossel και Claude Cohen-Tannoudji, ήταν εξαιρετικοί φυσικοί και πολύ χαρισματικοί δάσκαλοι. Οι διαλέξεις τους με μύησαν στην ατομική φυσική, έναν τομέα στον οποίο το φως χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση των ιδιοτήτων των ατόμων. Διαπίστωσα ότι ο κόσμος των ατόμων ήταν συναρπαστικός, επειδή υπάκουε στους εξαιρετικά αντιδιαισθητικούς κανόνες της κβαντικής φυσικής. Τα πρώτα πειράματα που εκτέλεσα έγιναν με κλασικούς φασματικούς λαμπτήρες. Σύντομα μπορέσαμε να τους αντικαταστήσουμε με φως λέιζερ, του οποίου τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά—μονοχρωματικότητα, υψηλή ένταση—άνοιξαν νέους δρόμους στον χειρισμό των ατόμων. Στην αρχή της καριέρας μου, εργαζόμασταν με έναν τεράστιο αριθμό ατόμων: τα δείγματά μας περιέχονταν σε γυάλινες κυψέλες που περιείχαν δισεκατομμύρια άτομα. Μου κίνησε το ενδιαφέρον το γεγονός ότι καθένα από αυτά τα άτομα υπάκουε σε κβαντικούς νόμους, αλλά τα περίεργα χαρακτηριστικά αυτών των νόμων ήταν κρυμμένα από στατιστικά φαινόμενα, εξαιτίας του γεγονότος ότι δουλεύαμε με μια τεράστια συλλογή ατόμων. Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1970, ο στόχος μου έγινε να προσπαθήσω να πραγματοποιήσω πειράματα που περιλαμβάνουν όλο και μικρότερο αριθμό ατόμων. Ο απώτερος στόχος ήταν να διερευνηθούν τα φαινόμενα που συμβαίνουν όταν έχουμε μόνο ένα άτομο στο σύστημα, μια κατάσταση στην οποία η κβαντική φυσική μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα σε δράση.
Δούλευα με άτομα και φωτόνια σε μια κοιλότητα, στην ουσία ένα κουτί με τοιχώματα καθρέφτες υψηλής ανακλαστικότητας ικανό να αποθηκεύει φωτόνια μικροκυμάτων για μεγάλο χρονικό διάστημα, της τάξεως του δέκατου του δευτερολέπτου. Η ερευνητική μου ομάδα χρειάστηκε πολύ χρόνο για να κατασκευάσει μια τέτοια κοιλότητα, χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα υλικά για να επιτύχει την υψηλή ανακλαστικότητα που απαιτείται για τους καθρέφτες. Έπρεπε επίσης να χρησιμοποιήσουμε ειδικά άτομα που αλληλεπιδρούσαν ισχυρά με τα φωτόνια μικροκυμάτων στην κοιλότητα. Αυτά είναι πολύ συναρπαστικά άτομα, που ονομάζονται άτομα Rydberg, στα οποία ένα ηλεκτρόνιο περιφέρεται σε μεγάλη απόσταση από τον ατομικό πυρήνα. Οι ακτίνες λέιζερ χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία αυτών των ατομικών διεγερμένων καταστάσεων που συμπεριφέρονται ως κεραίες εξαιρετικά ευαίσθητες στα πεδία μικροκυμάτων. Στο τέλος, φτάσαμε σε μια κατάσταση όπου ένα μεμονωμένο άτομο που διασχίζει την κοιλότητα αλληλεπιδρά με ένα μόνο φωτόνιο, το οποίο είναι το απλούστερο είδος αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης που μπορείτε να σκεφτείτε.
Τότε αρχίσαμε να παρατηρούμε τι συμβαίνει σε αυτήν την απλή κατάσταση. Μελετήσαμε πολλά φαινόμενα που είχαν προβλεφθεί από τους ιδρυτές της κβαντικής φυσικής πριν από εκατό χρόνια, αλλά που δε θα μπορούσαν να είχαν παρατηρηθεί πριν, επειδή σε μεγάλα δείγματα σωματιδίων ήταν καλυμμένα από στατιστικά φαινόμενα. Μια μέτρηση σε ένα άτομο Rydberg μετά την έξοδό του από την κοιλότητα είχε άμεση επίδραση στην κατάσταση του πεδίου που έμεινε πίσω, ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική σύμπλεξη1 (quantum entanglement). Θα μπορούσαμε επίσης να προετοιμάσουμε καταστάσεις πεδίου από μερικά φωτόνια που είχαν ταυτόχρονα δύο διαφορετικές φάσεις, μια κατάσταση που μας θυμίζει τη διάσημη γάτα που ο Σρέντινγκερ είχε φανταστεί ότι ήταν ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή, αφού είχε αλληλεπιδράσει με ένα μόνο άτομο. Μπορέσαμε επίσης να δούμε ένα φωτόνιο χωρίς να το καταστρέψουμε, ένα κατόρθωμα που ονομάζεται μη καταστροφική κβαντική μέτρηση 2 (Quantum Non-Demolition Measurement, QND), που δεν είχε γίνει ποτέ πριν. Συνήθως, η ανίχνευση φωτός καταστρέφει τα φωτόνια, ενώ στα πειράματα QND τα φωτόνια αφήνουν ένα λεπτό αποτύπωμα σε ένα άτομο χωρίς να εξαφανίζονται.
Εκείνη την εποχή, κάναμε αυτά τα πειράματα με κίνητρο την περιέργεια, γιατί θέλαμε να μάθουμε πόσο βαθειά θα μπορούσαμε να καταδυθούμε στον μικροσκοπικό κόσμο των ατόμων και των φωτονίων, με πόση ακρίβεια θα μπορούσαμε να χειριστούμε αυτές τις μικροσκοπικές οντότητες χωρίς να τις καταστρέψουμε. Από τότε, έχει γεννηθεί ένα πεδίο έρευνας που ονομάζεται επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας (quantum information science). Στην αρχή, μπορώ να πω ότι κάναμε κβαντική πληροφορική χωρίς να το γνωρίζουμε. Εκτελούσαμε αυτά τα πειράματα για διασκέδαση και ως πρόκληση. Είναι διάσημη η ρήση του Σρέντινγκερ το 1952 ότι δεν θα μπορούσαμε ποτέ να πειραματιστούμε με ένα μόνο ηλεκτρόνιο ή ένα μόνο άτομο και είχε προσθέσει ότι, αν κάτι τέτοιο ήταν δυνατό, θα είχε παράλογες συνέπειες. Όταν ξεκινήσαμε τα πειράματά μας, παρακινηθήκαμε από την πρόκληση να αποδείξουμε ότι ο Σρέντινγκερ έκανε λάθος. Επιστήμονες όπως ο Αϊνστάιν και ο Σρέντιγκερ είναι διάσημοι, επειδή έχουν συμβάλει πάρα πολλά στη σύγχρονη φυσική. Το να αμφισβητήσουμε κάποιες από τις ρήσεις ή τις ιδέες τους ήταν μια πολύ συναρπαστική πτυχή της δουλειάς μας.
Πρέπει να προσθέσω ότι η ομάδα μου απέχει πολύ από το να είναι η μόνη που εργάστηκε στον τομέα του χειρισμού μεμονωμένων κβαντικών αντικειμένων. Άλλες ομάδες, αντί να παγιδεύουν φωτόνια σε κοιλότητες, ανέπτυξαν παγίδες για φορτισμένα άτομα, τις λεγόμενες παγίδες ιόντων (ion traps) και παρατήρησαν αποτελέσματα παρόμοια με αυτά που μελετήσαμε με το σύστημά μας, δηλαδή υπερθέσεις καταστάσεων, κβαντική σύμπλεξη, καταστάσεις που μοιάζουν με την γάτα του Σρέντινγκερ, κλπ… Ο David Wineland ήταν επικεφαλής μιας από τις πρωτοποριακές ομάδες στη φυσική των παγίδων ιόντων στο Boulder του Κολοράντο. Είμαι πολύ χαρούμενος που μοιράστηκα το βραβείο Νόμπελ με τον David, γιατί υπήρξε μακροχρόνιος φίλος και συνάδελφος. Δε δουλέψαμε με το ίδιο σύστημα, αλλά εξερευνήσαμε τα ίδια προβλήματα από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες. Αυτός ερεύνησε τα ιόντα με το φως, και εγώ το φως με τα άτομα.
Lu: Ο επιβλέπων του διδακτορικού σας καθώς και ο δικός του επιβλέπων, που μερικές φορές τον αποκαλούμε «πρεσβύτερο» επιβλέποντα, όλοι κέρδισαν βραβείο Νόμπελ. Πώς νιώθετε γι’ αυτό το εξαιρετικό ακαδημαϊκό δέντρο; Υπάρχει κάποια ενδιαφέρουσα ιστορία που θέλετε να μοιραστείτε με νέους ερευνητές;
Haroche: Ήμουν πολύ τυχερός στην επιστημονική μου καριέρα. Ήταν πραγματικά θέμα τύχης να ενταχθώ στο εργαστήριο φυσικής στο οποίο εκπαιδεύτηκα ως νεαρός μεταπτυχιακός φοιτητής. Η ENS, το ίδρυμα στο οποίο ανήκει αυτό το εργαστήριο, είναι ένα ίδρυμα στο οποίο έχει γίνει πολύ καλή έρευνα τόσο στις επιστήμες όσο και στις ανθρωπιστικές σπουδές για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η αναλογία των βραβείων Νόμπελ ανά απόφοιτο είναι πολύ μεγάλη στην ENS, η οποία δέχεται λιγότερους από εκατό φοιτητές ετησίως και μετράει από τις αρχές του 20ου αιώνα δώδεκα νομπελίστες στη φυσική, τη χημεία και τη λογοτεχνία, χωρίς να συμπεριλαμβάνονται τα βραβεία στα οικονομικά. Η ατμόσφαιρα στο εργαστήριο φυσικής στο οποίο αποφοίτησα και στη συνέχεια έκανα τα βασικά στοιχεία της έρευνάς μου, που τώρα ονομάζεται Εργαστήριο Kastler–Brossel, ήταν —και εξακολουθεί να είναι— ένα φανταστικό μέρος. Οι καθηγητές ήταν χαρισματικοί και ενθουσιώδεις δάσκαλοι. Εμπιστεύτηκαν τους νεαρούς φοιτητές και τους έδωσαν όλη την ελευθερία και το περιβάλλον που χρειάζονται, για να αναπτύξουν τη δημιουργικότητα και τη φαντασία τους.
Σε αυτό το εργαστήριο, ο Kastler και ο φοιτητής και συνάδελφός του Brossel επινόησαν τη μέθοδο της οπτικής άντλησης3 (optical pumping), στην οποία χρησιμοποιούνται δέσμες φωτός για την αλλαγή και τον έλεγχο της εσωτερικής κατάστασης των ατόμων. Τα πειράματα έγιναν αρχικά σε μεγάλα μακροσκοπικά δείγματα με κλασικούς φασματικούς λαμπτήρες ασθενούς έντασης. Δεν υπήρχαν λέιζερ, όταν η μέθοδος εφευρέθηκε, αλλά η ιδέα της οπτικής άντλησης άνθισε μόλις τα λέιζερ εξελίχθηκαν τη δεκαετία του 1960. Η αρχή, που ξεκίνησε από τον Kastler, του χειρισμού των ατόμων με φως, ενέπνευσε όλες τις μετέπειτα ερευνητικές μου εργασίες. Η εφεύρεση των λέιζερ, εξαιρετικά μονοχρωματικών, κατευθυντικών και έντονων πηγών φωτός, έχει διευρύνει τρομερά τις πειραματικές δυνατότητες. Μπορώ να πω ότι έχω ωφεληθεί από διπλή τύχη: να εκπαιδευτώ σε ένα τόσο εμπνευσμένο εργαστήριο και να ξεκινήσω την καριέρα μου στη φυσική την εποχή που είχε εφευρεθεί μια εξαιρετική πηγή φωτός.
Έμαθα ότι ο Kastler είχε κερδίσει το βραβείο Νόμπελ μια μέρα του Οκτωβρίου του 1966, όταν δούλευα στο εργαστήριο, και η στιγμή αποτυπώθηκε σε μια φωτογραφία. Συνήθως τη δείχνω στις ομιλίες μου και μπορεί να βρεθεί στη διάλεξή μου για το βραβείο Νόμπελ που δημοσιεύτηκε στο Reviews of Modern Physics. Αυτή ήταν μια φανταστική μέρα. Η μόνη λύπη που είχαμε ήταν ότι το βραβείο δεν είχε μοιραστεί μεταξύ Kastler και Brossel. Ο Kastler έχει πει πολλές φορές ότι θα προτιμούσε να το μοιραστεί με τον πρώην φοιτητή και συνάδελφό του. Ο Kastler είχε την αρχική ιδέα, αλλά ο Brossel κατασκεύασε τους ειδικούς λαμπτήρες και τις ατομικές κυψέλες που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτέλεση των πειραμάτων. Ο Brossel δεν ήταν μόνο ένας προικισμένος πειραματιστής. Ήταν επίσης πραγματικός κύριος, γιατί ποτέ δεν παραπονέθηκε ούτε είπε τίποτα για το γεγονός ότι δεν πήρε το βραβείο. Ακόμα δεν ξέρω γιατί δεν το μοιράστηκε με τον Κάστλερ.
Lu: Νομίζω ότι τα πράγματα αλλάζουν. Σήμερα, τα βραβεία Νόμπελ τείνουν να δίνονται σε νεαρά άτομα.
Haroche: Ναι, η επιτροπή των βραβείων Νόμπελ από τότε προσπάθησε να διορθώσει κάποια λάθη. Παρά τη λύπη μας, η ανακοίνωση του βραβείου του Kastler ήταν ωστόσο ένα φανταστικό γεγονός. Θυμάμαι ακόμα την πρώτη μου επαφή με δημοσιογράφους. Συγκεντρώθηκαν στο εργαστήριο με την ευκαιρία αυτή. Ένας από αυτούς επέμενε στην ιδέα ότι η οπτική άντληση και το λέιζερ ήταν βασικά το ίδιο πράγμα και δυσκολευτήκαμε να του πούμε ότι ο Kastler δεν είχε εφεύρει το λέιζερ! Θυμάμαι τη συζήτηση με αυτόν τον δημοσιογράφο, προσπαθώντας να τον πείσω ότι δεν έπρεπε να υπερβάλλει σε ό,τι είχε κάνει ο Kastler.
Lu: Άκουσα ότι τα μεσάνυχτα των εξικοστών δεύτερων γενεθλίων σας ήσασταν ακόμα στο εργαστήριο και, μαζί με τους φοιτητές σας, παρατηρούσατε για πρώτη φορά τη γέννηση και το θάνατο ενός μόνο φωτονίου. Μπορείτε να μοιραστείτε μαζί μας τον ενθουσιασμό εκείνη την ώρα;
Haroche: Προσπαθούσαμε για πολλά χρόνια να επιτύχουμε την κατάσταση στην οποία μια κοιλότητα περιέχει μόνο ένα φωτόνιο, το οποίο ανακλάται μπρος-πίσω μεταξύ των καθρεπτών, μένοντας σε αυτήν για αρκετό χρόνο, ώστε να αλληλεπιδράσει με πολλά άτομα που διασχίζουν την κοιλότητα ένα προς ένα. Ξέραμε ότι αυτό θα μπορούσε κατ’ αρχήν να επιτευχθεί, αλλά χρειαζόμασταν μια εξαιρετικά καλή κοιλότητα γι’ αυτό. Μας πήρε αρκετά χρόνια για να την αποκτήσουμε μετά από πολλές δοκιμές και λάθη. Τελικά, το καλοκαίρι του 2006 αποκτήσαμε και δοκιμάσαμε μια κοιλότητα με τις απαιτούμενες ιδιότητες και αρχίσαμε να ετοιμάζουμε πυρετωδώς το πείραμα.
Θυμάμαι ότι όλα συνέπεσαν στα γενέθλιά μου, στις 11 Σεπτεμβρίου εκείνης της χρονιάς. Είχαμε ένα οικογενειακό πάρτι στο σπίτι. Ο Stefan Kuhr, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα μας, εργαζόταν εκείνο το βράδυ στο εργαστήριο. Με πήρε τηλέφωνο στις δέκα το βράδυ, λέγοντάς μου ότι το πείραμα ήταν έτοιμο. Του είπα «μόνο περίμενε, έρχομαι» και έφυγα από το πάρτι. Σε λιγότερο από δέκα λεπτά αργότερα έφτασα στο εργαστήριο εγκαίρως, για να παρακολουθήσω το πολυαναμενόμενο σήμα. Εκατοντάδες άτομα διέσχιζαν την κοιλότητα ένα προς ένα, αφήνοντας το καθένα το ίχνος του σε μια οθόνη υπολογιστή. Όλα τα άτομα συμφωνούσαν ότι υπήρχε ένα φωτόνιο ανάμεσα στους καθρέφτες. Ξαφνικά, το φωτόνιο εξαφανίστηκε στα τοιχώματα της κοιλότητας, και στη συνέχεια όλα τα άτομα που ακολουθούσαν άφησαν ένα διαφορετικό σήμα, όλα συμφωνώντας ότι η κοιλότητα ήταν άδεια. Αυτή η αλλαγή σήματος, ένα ξαφνικό κβαντικό άλμα4 (quantum jump), ήταν το είδος του ίχνους που αναζητούσαμε για πολλά χρόνια, και το αίσθημα της χαράς μας είναι δύσκολο να περιγραφεί. Μείναμε στο εργαστήριο για αρκετή ώρα, παρακολουθώντας με γοητεία τη γέννηση και τον θάνατο φωτονίων στην κοιλότητά μας. Υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στο να αναγνωρίζεις ότι κάνεις ένα ωραίο πείραμα και στο να νιώθεις ότι έχεις επιτύχει πραγματικά πρωτοποριακή δουλειά.
Στην πραγματικότητα, με τον συνάδελφό μου Jean-Michel Raimond, μόλις είχαμε ολοκληρώσει τη συγγραφή ενός βιβλίου με τίτλο Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons, στο οποίο προβλέψαμε τι θα έπρεπε να παρατηρηθεί σε αυτό το πείραμα. Δυστυχώς ή ευτυχώς, ανάλογα με το πώς το βλέπετε, το βιβλίο ολοκληρώθηκε και εκδόθηκε πριν από το πείραμα, επομένως περιγράφει τη μη καταστροφική ανίχνευση φωτονίων και πολλά άλλα φαινόμενα ως θεωρητικά σχήματα, που έμεναν να επεξηγηθούν από πραγματικά πειράματα. Από τότε λέμε συνέχεια στον εαυτό μας ότι πρέπει να γράψουμε μια συνέχεια αυτού του βιβλίου, για να περιγράψουμε αυτά τα πραγματικά πειράματα, αλλά ακόμα δεν είχαμε τον χρόνο να το κάνουμε.
Lu: Ακούγεται σαν το καλύτερο δώρο γενεθλίων. Ίσως η πειραματική σας εγκατάσταση περίμενε μέχρι τα γενέθλιά σας, για να σας στείλει αυτά τα σήματα κβαντικού άλματος.
Haroche: Ίσως, αλλά θέλω να προσθέσω ότι δεν είναι μόνο το πείραμά μου και το δώρο γενεθλίων μου, είναι το πείραμα όλων των ανθρώπων που ήταν γύρω εκείνη τη νύχτα. Έχω ένα αίσθημα που μοιάζει λίγο με αυτό του Kastler. Νομίζω ότι θα ήταν δίκαιο να μοιραστώ το βραβείο μαζί με τον Jean-Michel Raimond και τον Michel Brune, τους δύο αρχαιότερους συνεργάτες μου. Παρεμπιπτόντως αναφέρω ότι ο Michel Brune επισκέπτεται τώρα τη Σαγκάη.
Lu: Ναι, θα μας επισκεφτεί αύριο στο USTC (University of Science and Tecnology of China).
Haroche: Το έργο που αναγνωρίστηκε από το βραβείο Νόμπελ είναι ένα συλλογικό επίτευγμα. Είχα, κατά τη διάρκεια της καριέρας μου, μια μακρά σειρά από πολύ ευφυείς και αφοσιωμένους φοιτητές και μεταδιδακτορικούς ερευνητές. Ο Jean-Michel Raimond και ο Michel Brune ήταν δίπλα μου όλο αυτό το διάστημα, και βεβαιωθήκαμε ότι κάθε φοιτητής/φοιτήτρια είχε τη δυνατότητα να συνεισφέρει στο μακροπρόθεσμο έργο μας με μια ωραία δουλειά κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του/της.
Lu: Μιλώντας για συνεργασίες, εδώ είναι η επόμενη ερώτηση. Είχατε κάποιους πρώην φοιτητές που έχουν εξελιχθεί σε μακροχρόνιους συνεργάτες και συναδέλφους. Για παράδειγμα, ο Jean-Michel Raimond και ο Michel Brune. Στην πραγματικότητα, ο Michel επισκέπτεται την Κίνα τώρα. Κατά κάποιο τρόπο, πιστεύω ότι η κουλτούρα στη Γαλλία είναι ελαφρώς διαφορετική από, για παράδειγμα, τις Ηνωμένες Πολιτείες, όπου οι καθηγητές είναι συνήθως μεμονωμένοι κύριοι ερευνητές. Πώς λειτουργεί αυτή η συνεργασία; Πώς νιώθετε γι’ αυτό;
Haroche: Έχετε δίκιο. Η παράδοση ήταν διαφορετική στη Γαλλία, τουλάχιστον την εποχή που δημιουργήθηκε η ομάδα μας. Τότε ήταν δυνατό να έχουμε πολλά άτομα που έμεναν μαζί δουλεύοντας σε ένα μεγάλο μακροπρόθεσμο έργο. Μάλιστα, ο Jean-Michel Raimond ήταν από τους πρώτους μου φοιτητές και πήρε θέση σε νεαρή ηλικία στο Πανεπιστήμιο Paris VI όπου δίδασκε, ενώ έκανε έρευνα μαζί μου στην ENS. Στη συνέχεια, ο Michel Brune ήρθε δέκα χρόνια αργότερα ως μεταπτυχιακός φοιτητής. Παρέμεινε επίσης αργότερα στην ομάδα και πήρε μια θέση έμπειρου ερευνητή στο CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Αυτό μας επέτρεψε να συνεργαστούμε και να εκπαιδεύσουμε γενιές φοιτητών και μεταδιδακτορικών μαζί. Καθώς ήμουν το αρχαιότερο μέλος στην ομάδα, είχα επιπλέον διοικητικά καθήκοντα. Όντας για μερικά χρόνια πρόεδρος του τμήματος φυσικής της ENS τότε, αποσπάσθηκα κάπως από την ερευνητική δραστηριότητα, αλλά μπορούσα να μοιραστώ με τον Michel και τον Jean-Michel το έργο της εκπαίδευσης των φοιτητών και των μεταδιδακτόρων στο εργαστήριο. Συζητήσαμε όλες τις ιδέες μας και αποφασίσαμε τα διαδοχικά βήματα της έρευνάς μας μαζί, σε μια φιλική και πολύ αποτελεσματική συνεργασία.
Όπως αναφέρατε, η κατάσταση είναι γενικά πολύ διαφορετική στα πανεπιστήμια των ΗΠΑ, όπου οι κύριοι ερευνητές υποτίθεται ότι εργάζονται ανεξάρτητα. Υπάρχουν όμως και εξαιρέσεις. Ο David Wineland στο NIST (National Institute of Standards and Techology) συνεργάστηκε επίσης με έμπειρους συναδέλφους, που μπορούσαν να παραμείνουν μαζί του σε μόνιμες θέσεις. Το γεγονός ότι το NIST δεν είναι ένα πανεπιστήμιο αλλά ένα ερευνητικό ινστιτούτο πιθανότατα έπαιξε ρόλο, για να καταστεί δυνατή μια τέτοια κατάσταση στις ΗΠΑ. Πιστεύω ότι μια τέτοια συλλογική εργασία, στην οποία απασχολούνται αρκετοί έμπειροι επιστήμονες για μεγάλο χρονικό διάστημα, είναι ένας πολύ παραγωγικός τρόπος έρευνας, υπό την προϋπόθεση ότι οι συν-επικεφαλής ερευνητές τα πάνε καλά μεταξύ τους, και με την προϋπόθεση ότι όλοι τυγχάνουν αρκετής αναγνώρισης.
Δυστυχώς, μια τέτοια κατάσταση έχει γίνει πιο δύσκολο να διατηρηθεί ακόμη και στη Γαλλία. Το γεγονός ότι οι επικεφαλής ερευνητές πρέπει να είναι μόνοι τους σε ένα έργο έχει γίνει ο γενικός κανόνας. Η έρευνα έχει γίνει πιο δαπανηρή και δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς αίτηση για επιχορηγήσεις που δίνονται από φορείς που θέλουν να δουν, κατά γενικό κανόνα, μόνο έναν επικεφαλής ερευνητή ανά έργο. Η ομάδα μας έπρεπε να προσαρμοστεί σε αυτόν τον κανόνα. Μερικοί από τους φοιτητές και μεταδιδακτορικούς ερευνητές μας έχουν γίνει πολύ ικανοί νέοι ερευνητές. Έχουμε φροντίσει, ώστε ο καθένας από αυτούς να έχει το δικό του ανεξάρτητο έργο. Έγινα πριν από μερικά χρόνια ομότιμος καθηγητής, όπως και ο Jean-Michel Raimond. Ο Michel Brune είναι τώρα ο επικεφαλής της ομάδας και, παρά τον νέο κανόνα της ανεξαρτησίας του επικεφαλής ερευνητή, διατηρεί σε κάποιο βαθμό την ατμόσφαιρα συνεργασίας των πρώτων ημερών, διασφαλίζοντας ότι οι φοιτητές και οι μεταδιδακτορικοί ερευνητές που εργάζονται σε διαφορετικά έργα συνεχίζουν να επικοινωνούν και να ανταλλάσσουν ιδέες μεταξύ τους.
Lu: Όταν εσείς και ο Jean-Michel και ο Michel συνεργαστήκατε, χρησιμοποιήσατε επίσης πιο αποτελεσματικά τους πόρους (για παράδειγμα, τις συσκευές λέιζερ), σωστά; Και νομίζω ότι αυτή είναι μια πολύ καλή ιδέα, που πρέπει να προωθήσουμε.
Haroche: Ναι, μοιραζόμασταν τον εξοπλισμό, φυσικά, και αυτό είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα της συλλογικής δουλειάς. Μοιραστήκαμε επίσης το καθήκον να γράψουμε τις επιστημονικές μας δημοσιεύσεις μαζί, και θέλω να πω λίγα λόγια γι’ αυτό. Έχουμε κρατήσει πολύ καλές αναμνήσεις από εκείνη την εποχή. Ανταλλάξαμε ιδέες, προσπαθήσαμε να παρουσιάσουμε τη δημοσιευμένη εργασία με τον σωστό τρόπο, με τη σωστή οπτική, βάζοντάς την στο πλαίσιο του τι έχουν κάνει άλλοι άνθρωποι. Η από κοινού συγγραφή εργασιών είναι μια πολύ σημαντική πτυχή της συλλογικής εργασίας και συμβάλλει στην επιτυχία της.
Lu: Όπως έχετε ήδη αναφέρει, αισθανόμαστε ότι η Γαλλία έχει μια πολύ πλούσια επιστημονική παράδοση και, ως έθνος, έχει λάβει περίπου 70 βραβεία Νόμπελ συνολικά. Όταν έρχεστε σε επαφή με Κινέζους ερευνητές και όταν επισκέπτεστε την Κίνα, αισθάνεστε ότι υπάρχει διαφορά στην επιστημονική κουλτούρα μεταξύ Κίνας και Γαλλίας; Εάν ναι, υπάρχει κάποια συμβουλή που θα δίνατε στους Κινέζους ερευνητές και ίσως ακόμη και σε ορισμένους φορείς λήψης αποφάσεων χρηματοδότησης;
Haroche: Νομίζω ότι θα μπορούσα επίσης να δώσω κάποιες συμβουλές στους φορείς λήψης αποφάσεων στη Γαλλία, λαμβάνοντας ως παράδειγμα ορισμένες καλές πτυχές του τρόπου με τον οποίο διεξάγεται η έρευνα στην Κίνα. Θα έρθω σε αυτό το σημείο αργότερα. Αλλά επιτρέψτε μου να απαντήσω στο πρώτο μέρος της ερώτησής σας. Υπάρχει πράγματι μια μακρά παράδοση γαλλικής αριστείας στην επιστήμη, ειδικά στην οπτική και σε συναφείς τομείς. Ο Fresnel, ο Fizeau και ο Foucault τον 19ο αιώνα και ο Fabry, ο Pérot και ο Kastler τον 20ο αιώνα έχουν προσοπωποιήσει αυτήν την παράδοση, η οποία έχει επιβιώσει μέχρι σήμερα. Το βραβείο μου το 2012 είχε προαγγελθεί από αυτό του Alfred Kastler το 1966 και αυτό του μέντορά μου, και επιβλέποντα της διδακτορικής μου διατριβής, Claude Cohen-Tannoudji το 1997. Στη συνέχεια, ο Gerard Mourou το 2017, ο Alain Aspect το 2022 και οι Pierre Agostini και Anne L’Huillier τον περασμένο Οκτώβριο (2023) επίσης έλαβαν το βραβείο Νόμπελ. Όλα αυτά τα βραβεία σχετίζονται με την οπτική. Η Anne L’Huillier ήταν φοιτήτρια στο μεταπτυχιακό μου τμήμα στην ENS και χάρηκα πολύ που είδα την εξαιρετική δουλειά της στα λέιζερ να αναγνωρίζεται στο υψηλότερο επίπεδο.
Θα ήθελα να επιμείνω σε μια πτυχή του τρόπου με τον οποίο γίνεται η επιστήμη στη Γαλλία, η οποία νομίζω ότι είναι απαραίτητη. Η επιστήμη είναι μέρος μιας γενικότερης πολιτιστικής δραστηριότητας. Η επιστήμη ευδοκιμεί σε ένα πλαίσιο στο οποίο οι τέχνες, οι ανθρωπιστικές επιστήμες, η φιλοσοφία και η λογοτεχνία ανθίζουν επίσης, δημιουργώντας μια ατμόσφαιρα όπου η δημιουργικότητα και η φαντασία αναπτύσσονται ελεύθερα. Στη Γαλλία, και γενικότερα στην Ευρώπη, μεγάλοι επιστήμονες έχουν επηρεαστεί από ιδέες που προέρχονται από φιλοσόφους, συγγραφείς και καλλιτέχνες. Οι απόφοιτοι της ENS στη φιλοσοφία, τη λογοτεχνία και τα οικονομικά έχουν λάβει βραβεία Νόμπελ. Η ατμόσφαιρα της ακαδημαϊκής ελευθερίας που έχει γαλουχήσει το μυαλό αυτών των ανθρώπων έχει οδηγήσει άλλους αποφοίτους να φτάσουν στην αριστεία του Νόμπελ στη φυσική και τη χημεία. Νομίζω ότι η επίτευξη των υψηλότερων επιδόσεων στην επιστήμη δεν μπορεί να διαχωριστεί από την εργασία σε ένα περιβάλλον στο οποίο άλλοι μελετητές φτάνουν στο υψηλότερο επίπεδο δημιουργικότητας στις τέχνες και τις ανθρωπιστικές επιστήμες, και αυτό απαιτεί ακαδημαϊκή ελευθερία. Εφόσον μιλάμε για τα βραβεία Νόμπελ γενικά, δεν πρέπει να ξεχνάμε το πνεύμα με το οποίο καθιερώθηκαν αυτά τα βραβεία από τον Άλφρεντ Νόμπελ. Ήθελε να αναγνωρίσει την αριστεία για το καλό της ανθρωπότητας, και έθεσε στο ίδιο επίπεδο την ανάγκη να διαπρέψεις στην επιστήμη, αλλά και στη λογοτεχνία και στην υπεράσπιση των ανθρώπινων αξιών, μέσω του Νόμπελ Ειρήνης. Το πνεύμα του βραβείου Νόμπελ είναι να γιορτάσει όλες τις μορφές δημιουργικότητας, όχι μόνο την πλευρά της «σκληρής επιστήμης». Αυτό είναι κάτι που η Κίνα πρέπει να λάβει περισσότερο υπόψη, ανοίγοντας περισσότερα πανεπιστήμια στις ανθρωπιστικές επιστήμες και επιτρέποντας περισσότερες ανταλλαγές μεταξύ επιστημόνων και μελετητών σε άλλους τομείς της γνώσης.
Θα ήθελα να αναφέρω μια άλλη πτυχή της επιστήμης. Στην Κίνα και σε άλλες ασιατικές χώρες, υπάρχει μια παράδοση ιεραρχίας, που απαιτεί σεβασμό για τους ηλικιωμένους και εκτιμά ιδιαίτερα τη σοφία τους. Έχοντας φτάσει σε μεγάλη ηλικία ο ίδιος, δεν μπορώ σίγουρα να παραπονεθώ γι’ αυτό! Αλλά αυτός ο σεβασμός για την αρχαιότητα δεν πρέπει να οδηγεί στο γεγονός ότι οι παλιοί επιστήμονες ελέγχουν πάρα πολύ αυτό που θέλουν να κάνουν οι νέοι επιστήμονες. Η δημιουργικότητα των επιστημόνων είναι συχνά στο υψηλότερο επίπεδο σε νεαρή ηλικία. Τα νεαρά άτομα πρέπει να έχουν εμπιστοσύνη και να τους δίνεται περισσότερη ελευθερία στον ακαδημαϊκό κόσμο. Έχω την αίσθηση ότι τα πράγματα αλλάζουν προς τη σωστή κατεύθυνση τώρα στην Κίνα, αλλά αυτή η εξέλιξη πρέπει να προχωρήσει περαιτέρω.
Επιτρέψτε μου τώρα να στραφώ στις συμβουλές που δίνω στους Γάλλους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής, όταν συγκρίνω την έρευνα στην Κίνα και στη Γαλλία. Τους λέω να κοιτάξουν την Κίνα, η οποία δίνει πολύ περισσότερα χρήματα για την επιστήμη και την έρευνα, ειδικά στον τομέα μου της κβαντικής φυσικής και της κβαντικής πληροφορίας. Και αυτό είναι καλό. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι ο πιο σημαντικός πλούτος για μια χώρα βρίσκεται στον εγκέφαλο και τη φαντασία των νέων, και είναι καθήκον κάθε χώρας να καλλιεργήσει αυτόν τον πλούτο παρέχοντας σε αξιόλογους νέους την οικονομική υποστήριξη που απαιτείται για να επιτύχουν σπουδαία πράγματα. Νομίζω ότι είναι απαραίτητο για την Κίνα, απαραίτητο για την Ευρώπη, και οπουδήποτε αλλού στον κόσμο.
Επιτρέψτε μου να αναφέρω ένα τελευταίο σημείο. Ανησυχώ σήμερα από το γεγονός ότι οι ανταλλαγές μεταξύ επιστημόνων στην Κίνα και στις δυτικές χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Γαλλίας, γίνονται πιο δύσκολες λόγω των γεωπολιτικών εντάσεων. Νομίζω ότι αυτό είναι πολύ ατυχές, γιατί η επιστήμη πρέπει να είναι μια παγκόσμια δραστηριότητα που δεν γνωρίζει όρια. Οι ανταλλαγές μεταξύ επιστημόνων που εργάζονται σε διαφορετικά περιβάλλοντα και ο υγιής ανταγωνισμός που προκαλεί είναι απαραίτητες. Και οι προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπίσει η επιστήμη, για να λύσει τα προβλήματα που αντιμετωπίζει ο πλανήτης και η ανθρωπότητα, είναι παγκόσμιες. Αν δεν προσπαθήσουμε να αντιμετωπίσουμε αυτές τις προκλήσεις μαζί, θα πάμε σε πολύ δύσκολους καιρούς.
Lu: Ναι, ευτυχώς, νομίζω ότι εγώ ο ίδιος και μερικοί από τους συναδέλφους μου φέρουμε στην πραγματικότητα κάποια από τη γαλλική επιστημονική κληρονομιά. Για παράδειγμα, ο δεύτερος πρόεδρος του πανεπιστημίου μας (USTC), Yan Jici, είναι ο πρώτος Κινέζος που απέκτησε το διδακτορικό στη φυσική από τη Γαλλία. Ήταν μαθητής του Fabry και, όταν επέστρεψε στην Κίνα, πρόσφερε πολλά στο πανεπιστήμιό μας. Επίσης, δύο από τους συναδέλφους μου και εγώ είμαστε αποδέκτες του Βραβείου Fresnel από την EPS (European Physical Society).
Ας προχωρήσουμε. Επειδή είστε ο πρωτοπόρος της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κοιλοτήτων (cavity-QED), όπως αναφέρατε, μπορείτε να περιγράψετε στο ευρύ κοινό, την κατάσταση του πεδίου, όταν ξεκινήσατε, και την τρέχουσα κατάσταση; Ποιες είναι οι προβλέψεις σας για τις μελλοντικές εξελίξεις στον χώρο;
Haroche: Όταν ξεκίνησα πριν από σαράντα χρόνια, δεν είχα ιδέα πού θα με οδηγούσε η έρευνά μου. Αυτό που κάναμε ήταν να προσπαθήσουμε να κάνουμε ακριβή φασματοσκοπία μικροκυμάτων σε άτομα Rydberg. Είχαμε μια κοιλότητα στα πειράματά μας, αλλά ήταν εκεί μόνο για να καθορίσει την περιοχή του χώρου εντός της οποίας το πεδίο μικροκυμάτων αλληλεπιδρούσε με τα άτομα. Τότε συνειδητοποιήσαμε ότι, αν βελτιώναμε την ποιότητα της κοιλότητάς μας, θα μπορούσαμε να φτάσουμε σε εκείνη την κατάσταση, όπου ένα άτομο θα διεγειρόταν από ένα μόνο φωτόνιο. Έτσι, η ιδέα να μελετήσουμε την αλληλεπίδραση φωτός και ύλης στο επίπεδο ενός ατόμου και ενός φωτονίου ήρθε προοδευτικά. Αυτή ήταν η αρχή του τομέα που ονομάζεται κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων. Έγινε ένα πολύ ενεργό υποπεδίο της ατομικής φυσικής, το οποίο σύντομα επεκτάθηκε στην οπτική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, τα φωτόνια μικροκυμάτων αντικαταστάθηκαν από οπτικά, και οι κοιλότητες μικροκυμάτων από πολύ μικρές κοιλότητες Fabry–Pérot με μικροσκοπικά μεγέθη.
Αργότερα σε αυτήν την έρευνα, τα πραγματικά άτομα αντικαταστάθηκαν από τεχνητά, υπεραγώγιμα qubit5, που αλληλεπιδρούν με κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων ή κυματοδηγούς. Η μέθοδος και τα μαθηματικά είναι τα ίδια όπως στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων, και αυτό το νέο πεδίο είχε ονομαστεί κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων (circuit-QED), επειδή τα πραγματικά άτομα αντικαταστάθηκαν από υπεραγώγιμα κυκλώματα. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων είχε πολλά πλεονεκτήματα· ένα από αυτά ήταν ότι τα τεχνητά άτομα είναι κατασκευασμένα από τον άνθρωπο και μπορούν να παραχθούν με τις τεχνικές λιθογραφικής εναπόθεσης σε πλακίδια που χρησιμοποιούνται συνήθως στην τεχνολογία πυριτίου. Πολλά όμορφα πειράματα έχουν γίνει σε αυτόν τον τομέα.
Είναι πλέον δυνατό να επιστρέψουμε στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων με πραγματικά άτομα Rydberg, επειδή μπορεί κανείς να τα κρατήσει σε καλά καθορισμένες θέσεις με τη βοήθεια οπτικών λαβίδων6 (optical tweezers). Τώρα θα καταστεί δυνατό να τοποθετηθούν πολλά άτομα σε μια καλά καθορισμένη θέση μέσα σε μια κοιλότητα και να αλληλεπιδράσουν συλλογικά με το πεδίο της κοιλότητας. Έτσι, το πεδίο της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κοιλοτήτων εξακολουθεί να έχει πολλές προοπτικές. Είναι πολύ συναρπαστικό να βλέπουμε πώς εξελίσσεται το πεδίο της κβαντικής πληροφορικής, με έναν ανταγωνισμό μεταξύ της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κυκλωμάτων και των ατόμων Rydberg σε οπτικά πλέγματα (optical lattices) ή οπτικούς κρυστάλλους ατόμων (εδώ και εδώ).
Lu: Νομίζω ότι, όταν ξεκινήσατε για πρώτη φορά να εκτελείτε αυτά τα πρωτοποριακά πειράματα στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, δεν είχατε ιδέα ποιες μπορεί να είναι οι βαθιές συνέπειές τους. Για παράδειγμα, σήμερα, όταν εμείς περπατήσαμε σε αυτόν τον διάδρομο (του Τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Fudan), είδαμε εκείνες τις αφίσες ερευνητών που πειραματίζονται με άτομα Rydberg παγιδευμένα σε οπτικές λαβίδες. Επιπλέον, όπως μόλις αναφέρατε, η κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων εξελίχθηκε σε κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων, το οποίο είναι ένας τομέας υπεραγώγιμου κβαντικού υπολογισμού όπου γίνονται μεγάλες επενδύσεις. Νομίζω ότι αυτά είναι δύο παραδείγματα στα συστήματα κβαντικών υπολογιστών, όπου οι προσδοκίες είναι μεγάλες. Μπορείτε να σχολιάσετε αυτά τα δύο συστήματα;
Haroche: Συμφωνώ ότι τα υπεραγώγιμα qubit και τα ατομικά συστήματα Rydberg εξακολουθούν να ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Ποιο θα είναι το καλύτερο σύστημα παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα. Αν μου είχατε κάνει την ερώτηση πριν από δεκαπέντε χρόνια, δε θα πίστευα ότι η κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων θα εξελισόταν σε ένα τόσο παραγωγικό πεδίο. Και αν με ρωτούσατε πριν από πέντε χρόνια, θα έλεγα ότι κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων ήταν πολύ καλύτερη από τα ατομικά συστήματα Rydberg. Νομίζω ότι τώρα αυτά τα συστήματα Rydberg μπορούν να γίνουν ξανά ανταγωνιστικά. Η κβαντική επιστήμη εξελίσσεται πολύ γρήγορα και σε αυτό οφείλεται η ομορφιά και ο ενθουσιασμός της έρευνας. Επιστήμονες σε σχετικούς τομείς ανταγωνίζονται μεταξύ τους, ελπίζουμε με φιλικό τρόπο.
Lu: Όπως εσείς και ο David Wineland.
Haroche: Ναι, ο φιλικός ανταγωνισμός μεταξύ του Dave και εμένα είναι ένα καλό παράδειγμα. Η ιδανική κατάσταση είναι όταν η καλή έρευνα ολοκληρώνεται, όταν οι επιστήμονες σέβονται ο ένας τον άλλον και εκτιμούν αμοιβαία την ομορφιά αυτού που κάνουν. Θέλω να αναφέρω από αυτή την άποψη ότι ένας πρωτοπόρος στον τομέα της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κυκλωμάτων ήταν ο Herbert Walther, ο οποίος εργαζόταν στη Γερμανία. Δυστυχώς έφυγε από τη ζωή πριν από σχεδόν είκοσι χρόνια.
Lu: Ένας πολύ σεβαστός επιστήμονας.
Haroche: Ήταν πρωτοπόρος στον τομέα της έρευνάς μου. Εφηύρε το μικρομέιζερ ατόμων Rydberg, με μια πειραματική διάταξη που ήταν πολύ παρόμοια με αυτή που αναπτύξαμε για τις μελέτες στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων. Εργάστηκε σε μια διαφορετική προοπτική, αλλά χρησιμοποίησε το ίδιο είδος τεχνολογίας. Ο Walther ήταν ένας πολύ δημιουργικός και ευφάνταστος φυσικός. Ήταν επίσης ένας πολύ ισχυρός και με μεγάλη επιρροή επιστημονικός διευθυντής στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching. Δεν ξέρω πώς θα εξελιχθεί το πεδίο στο μέλλον. Είμαι πολύ ενθουσιασμένος από την πρόοδο της κβαντικής μετρολογίας (quantum metrology), που χρησιμοποιεί ένα μόνο κβαντικό σύστημα για την εκτέλεση μετρήσεων με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι θα μπορούσε να επιτευχθεί με τις κλασικές συσκευές. Έχουμε κάνει κάποια δουλειά πάνω στην κβαντική μετρολογία στην ομάδα μας. Χρησιμοποιήσαμε άτομα Rydberg για να ανιχνεύσουμε μικρά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, κάνοντας χρήση της υπέρθεσης καταστάσεων (quantum superposition) για να οδηγηθούμε σε υψηλότερου επιπέδου ακρίβεια σε σχέση με τις κλασικές μεθόδους. Αλλά στον τομέα της κβαντικής μετρολογίας η πιο θεαματική πρόοδος έχει επιτευχθεί με την κατασκευή οπτικών ατομικών ρολογιών που έχουν τώρα ακρίβεια της τάξης του 10−19. Αυτή η ακρίβεια στη μέτρηση του χρόνου είναι φανταστική και σίγουρα θα έχει εφαρμογές στη βασική επιστήμη και στην κατασκευή πρακτικών συσκευών όπως ένα βελτιωμένο GPS. Αξίζει επίσης να σημειωθεί η πρόοδος της ατομικής συμβολομετρίας (atom interferometry), συμπεριλαμβανομένων των ατομικών μετρητών βαρυτικού πεδίου (atom gravimeteres) και των ατομικών γυροσκόπιων (atom gyroscopes). Αλλά το πεδίο για το οποίο όλοι μιλούν περισσότερο σε αυτόν τον τομέα της επιστήμης είναι η αναζήτηση ενός κβαντικού υπολογιστή, που η υλοποίησή του είναι ακόμα πολύ μακριά στο μέλλον, αν κάποτε μπορεί να πραγματοποιηθεί.
Lu: Ναι, συμφωνώ μαζί σας ότι η κβαντική μετρολογία θα έχει πιο συναρπαστικά αποτελέσματα βραχυπρόθεσμα. Για τα πεδία της κβαντικής μετρολογίας και των κβαντικών υπολογιστών, καθώς είστε πρωτοπόρος και στα δύο, μπορείτε να προβλέψετε ενδεχόμενες ανακαλύψεις σε αυτούς τους δύο τομείς μέσα στα επόμενα πέντε και δέκα χρόνια;
Haroche: Μπορώ να προβλέψω με ασφάλεια τις ανακαλύψεις στην κβαντική προσομοίωση, τον τομέα που μελετά τις κβαντικές δομές που μιμούνται συστήματα συμπυκνωμένης ύλης σε διαφορετική κλίμακα. Οι επιστήμονες είναι πλέον πολύ καλοί στο να παγιδεύουν άτομα ή να τακτοποιούν τεχνητά άτομα σε σχηματισμούς μιας, δύο ή τριών διαστάσεων και να τα βάζουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κατά βούληση. Αυτό είναι ένα πεδίο που ωριμάζει. Υπάρχουν πολλές ομάδες στον κόσμο που ανταγωνίζονται σε αυτόν τον τομέα, στις ΗΠΑ, στην Ευρώπη και στην Κίνα. Αυτά τα πειράματα γίνονται είτε με πραγματικά άτομα είτε με υπεραγώγιμα qubits. Παραμένει μέχρι στιγμής βασική επιστήμη και δεν ξέρω σε τι είδους πρακτικές εφαρμογές, που θα οδηγήσουν σε εμπορεύσιμες συσκευές. Υπάρχουν ήδη αρκετές νεοφυείς εταιρείες που πωλούν οπτικά πλέγματα λαβίδων ουδέτερων ατόμων, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από ερευνητές που κάνουν κβαντική προσομοίωση. Αυτά τα συστήματα δεν είναι κβαντικοί υπολογιστές, επειδή δεν είναι ακόμη σε θέση να αποφύγουν την απώλεια της κβαντικής συμφωνίας (quantum coherence).
Lu: Συμφωνώ. Νομίζω ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι σαν τα λέιζερ. Πρώτον, θα χρησιμοποιηθούν ως εργαστηριακό εργαλείο για φυσικούς, χημικούς και ούτω καθεξής. Τότε, ίσως δέκα ή είκοσι χρόνια αργότερα, μπορεί να ακολουθήσουν μια παρόμοια ιστορία. Στα πρώτα είκοσι χρόνια των λέιζερ, δεν νομίζω ότι οι άνθρωποι περίμεναν εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο, όπως αυτές που έχουν αναπτυχθεί στη βιομηχανία. Στο μεταξύ, η προοπτική ύπαρξης ενός κβαντικού υπολογιστή γεννά πολλές ελπίδες. Μερικές φορές, μετατρέπεται σε κβαντική διαφημιστική εκστρατεία. Τι πιστεύετε γι΄ αυτό;
Haroche: Ναι, υπάρχει πολλή δημοσιότητα στην έρευνα σχετικά με τον κβαντικό υπολογιστή. Προς το παρόν, μόνο συστήματα παιχνιδιών που περιλαμβάνουν μερικά qubit έχουν υλοποιηθεί, επιτυγχάνοντας υπολογισμούς που μπορούν εύκολα να εκτελεστούν από έναν κλασικό υπολογιστή. Όταν τα μέσα μαζικής ενημέρωσης μιλούν για έναν κβαντικό υπολογιστή των πενήντα ή και εκατό qubit, δεν αναφέρουν το γεγονός ότι αυτά τα qubit δεν προστατεύονται από την απώλεια της κβαντικής συμφωνίας7, ότι οι κβαντικές διορθώσεις σφαλμάτων που απαιτούνται για την εκτέλεση κβαντικών αλγορίθμων απέχουν πολύ από το να εφαρμοστούν αποτελεσματικά σε αυτά τα συστήματα. Οι κβαντικές διορθώσεις σφαλμάτων θα απαιτούσαν την κωδικοποίηση ενός λογικού qubit σε ένα μεγάλο σύνολο κβαντικά σύμπλεκτων φυσικών qubit, στα οποία οι μετρήσεις που εντοπίζουν τις διαδικασίες απώλειας κβαντικής συμφωνίας θα ακολουθούνταν από διορθώσεις. Για να φτιάξετε έναν χρήσιμο καθολικό κβαντικό υπολογιστή, θα χρειαστείτε πολλές χιλιάδες λογικά qubit, καθένα από τα οποία αποτελείται από χιλιάδες κβαντικά σύμπλεκτα φυσικά qubit. Στην πραγματικότητα, κανείς δεν ξέρει πώς να το πετύχει με κλιμακωτό8 και ρεαλιστικό τρόπο.
Συμφωνώ, λοιπόν, ότι υπάρχει πολλή δημοσιότητα και υπάρχουν πολλοί κίνδυνοι που προέρχονται από την υπερπροβολή του κβαντικού υπολογιστή. Εάν συνεχίσετε να υπόσχεστε χρόνο με τον χρόνο πράγματα που δε θα συμβούν, οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής και οι φορείς χρηματοδότησης θα χάσουν την υπομονή τους και μπορεί να υπάρξει αντίδραση, με έντονη μείωση της χρηματοδότησης αυτής της έρευνας. Είναι, επίσης, αντιπαραγωγικό να κάνουμε τους πολιτικούς να πιστεύουν ότι ένα στρατηγικό πλεονέκτημα θα δοθεί στην πρώτη χώρα που θα μπορέσει να κατασκευάσει μια τέτοια μηχανή. Το αποτέλεσμα είναι ότι αυτή η έρευνα ιεραρχείται και ελέγχεται από τις κυβερνητικές αρχές. Όταν φοιτητές, μεταδιδακτορικοί ερευνητές ή έμπειροι επιστήμονες που εργάζονται σε αυτόν τον τομέα θέλουν να ταξιδέψουν από την Κίνα στην Ευρώπη, τους αρνούνται συχνά τη βίζα, επειδή οι πολιτικοί πιστεύουν ότι οι πληροφορίες σχετικά με αυτήν την έρευνα δεν πρέπει να κοινοποιούνται. Αυτό είναι ανόητο, αλλά, λυπάμαι που λέω, προέρχεται εν μέρει από τους ίδιους τους επιστήμονες που έχουν υπερπουλήσει αυτό που κάνουν. Όταν μιλάς με πολιτικούς που δεν καταλαβαίνουν την επιστήμη, αν τους πεις κάτι που είναι υπερβολικό, το θεωρούν σαν να είναι αλήθεια, και τότε η συνέπεια είναι αυτού του είδους, ο ανόητος περιορισμός στην ελεύθερη ανταλλαγή πληροφοριών σε έναν τομέα που εξακολουθεί να είναι θέμα της βασικής επιστήμης.
Αυτό που θέλω να πω είναι ότι ο κβαντικός υπολογιστής δε βρίσκεται στο στάδιο ενός Σχεδίου Μανχάταν που πρέπει να προστατευτεί από τον ανταγωνισμό. Θα πρέπει να είναι ένας ανοιχτός τομέας, στον οποίο μπορεί κανείς να επωφεληθεί μόνο από τον συναγωνισμό και από την ανταλλαγή πληροφοριών και δεδομένων. Αυτό είναι κάτι που μπορείτε να επιτύχετε μόνο εάν δεν επενδυθούν υπερβολικές προσδοκίες, δίνοντας την εσφαλμένη εντύπωση ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα είναι η λύση σε όλα τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα σήμερα.
Lu: Ήδη το 1998 περίπου, ο David Wineland είχε δημοσιεύσει έγγραφα που μιλούσαν για κβαντικούς υπολογιστές δύο ιόντων. Χρησιμοποίησε τις λέξεις «κβαντικός υπολογιστής» ως τεχνικό όρο. Όταν περιγράφουμε στο ευρύ κοινό αυτόν τον τομέα έρευνας, με την ανάπτυξη πολλών νεοφυών εταιρειών, πρέπει να είμαστε πιο προσεκτικοί.
Haroche: Ναι, νομίζω ότι η λέξη «κβαντικός υπολογιστής» πρέπει να ληφθεί ως ένα είδος μεταφοράς, για να περιγράψει γενικότερα τον τομέα της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας. Πρέπει να το εκλάβετε και να το καταλάβετε με αυτόν τον τρόπο. Εάν το εκλάβετε κυριολεκτικά και θεωρήσετε ότι ο κύριος στόχος αυτού του τομέα έρευνας πρέπει να είναι η κατασκευή αυτής της συσκευής, γίνεται προβληματικό. Στην πραγματικότητα, δημοσίευσα με τον Jean-Michel Raimond πριν από είκοσι έξι χρόνια ένα άρθρο γνώμης για το Physics Today με τίτλο «Quantum Computing: a Dream or a Nightmare». Γράψαμε ότι ο κβαντικός υπολογιστής ήταν ένα όνειρο για τους θεωρητικούς αλλά ένας εφιάλτης για τους πειραματιστές. Συμβαίνει και σήμερα. Δεν ξέρουμε πώς να κλιμακώσουμε ένα τέτοιο μηχάνημα και να επιτύχουμε κβαντική διόρθωση σφαλμάτων στον βαθμό που θα έκανε έναν τέτοιο υπολογιστή πραγματικότητα. Ορισμένοι συνάδελφοι, συμπεριλαμβανομένου του David Wineland, είναι πιο αισιόδοξοι από εμένα σε αυτό το σημείο, αλλά δεν πειράζει. Πρέπει να μπορούμε να διαφωνούμε σε επιστημονικά ζητήματα με φιλικό τρόπο.
Lu: Έχω δύο τελευταίες ερωτήσεις, και η πρώτη μοιάζει λίγο με επιστημονική φαντασία. Αν ήσασταν είκοσι ετών και μόλις ξεκινούσατε το διδακτορικό σας, και αν είχατε όλες τις αναμνήσεις σας για το τι έχει συμβεί μέχρι τώρα, τι είδους συμβουλές θα δίνατε στον εαυτό σας;
Haroche: Η συμβουλή που μπορώ να δώσω στους νέους φοιτητές που θέλουν να ασχοληθούν με την έρευνα είναι ότι πρέπει να έχουν πάθος γι΄ αυτήν. Πρέπει να αναγνωρίσετε έναν τομέα στον οποίο πιστεύετε ότι θα μπορούσαν να γίνουν σημαντικές ανακαλύψεις στο μέλλον και να πείτε στον εαυτό σας ότι θέλετε να γίνετε μέρος αυτής της περιπέτειας. Από τη στιγμή που η επιστήμη σας ελκύει προς έναν συγκεκριμένο στόχο, μπορεί να συμβούν πολλά απροσδόκητα πράγματα που θα μπορούσαν να σας οδηγήσουν σε νέες κατευθύνσεις, αλλά θα πρέπει πρώτα να παρακινηθείτε από την περιέργεια, να βρείτε έναν καλό λόγο για να ξεκινήσετε μια καριέρα που είναι πολύ απαιτητική. Αν ξεκινούσα σήμερα με όλη τη γνώση που έχω αποκτήσει στη ζωή μου, θα με έλκυε, για παράδειγμα, η αναζήτηση εξωπλανητών, που θα μπορούσαν να διατηρήσουν μορφές ζωής διαφορετικές από αυτές που έχουμε στη Γη. Αυτή είναι μια φανταστική αναζήτηση που θέτει το ζήτημα της θέσης μας στο Σύμπαν. Είναι βασική επιστήμη και ταυτόχρονα περιλαμβάνει πολλές τεχνολογικές εξελίξεις. Ένας από τους λόγους που σκέφτομαι αυτό το θέμα είναι ότι απαιτεί κάποιες τεχνολογίες κοινές στον τομέα της κβαντικής οπτικής που γνωρίζω. Για παράδειγμα, η ανάλυση των εξωπλανητών χρειάζεται την ανάπτυξη διατάξεων γνωστών ως χτένες συχνοτήτων9 (frequency comb) για τη σταθεροποίηση των λέιζερ, προκειμένου να πετύχουμε υψηλής ακρίβειας φασματοσκοπία Doppler του φωτός που προέρχεται από τα αστέρια, γύρω από τα οποία περιφέρονται αυτοί οι πλανήτες. Είναι επίσης χρήσιμο να εφαρμοστεί προσαρμοστική οπτική (adaptive optics), η οποία είναι παρόμοια με την τεχνική που χρησιμοποιείται για την προετοιμασία των συστοιχιών οπτικών λαβίδων, που χρησιμοποιεί η ομάδα μου σε πειράματα κβαντικής προσομοίωσης10 (quantum simulation). Για την αναζήτηση εξωπλανητών χρειάζεστε επίσης πολλές γνώσεις στη χημεία, τη βιολογία και τη φασματοσκοπία. Αυτός είναι ένας τομέας έρευνας που είναι διεπιστημονικός. Υπονοεί ότι δε θα δουλέψετε ποτέ μόνοι σας, θα πρέπει να εργαστείτε σε ομάδες με άτομα που μοιράζονται το δικό σας πάθος και ενθουσιασμό για την έρευνα, που είναι μεγάλο πλεονέκτημα, όταν είσαι επιστήμονας. Αυτό που επίσης, προσωπικά, μου αρέσει σε αυτήν την έρευνα είναι ότι είναι a priori εντελώς άχρηστη. Γνωρίζουμε ότι δε θα μπορέσουμε ποτέ να επισκεφτούμε αυτούς τους πλανήτες, και ακόμα η περιέργειά μας μάς αναγκάζει να αποκτήσουμε γνώση γι’ αυτούς τους απρόσιτους κόσμους.
Lu: Μου αρέσει αυτό. Στην Κίνα, έχουμε ένα παλιό ρητό ότι «η χρήση της αχρηστίας είναι μεγαλύτερης χρησιμότητας», που σημαίνει ότι το πιο φαινομενικά άχρηστο πράγμα μπορεί να αποδειχθεί το πιο χρήσιμο στο μακρινό μέλλον.
Haroche: Σχετικά με αυτό το σημείο, θα πρέπει να αναφέρω ένα διάσημο δοκίμιο που γράφτηκε τη δεκαετία του 1930 από τον Abraham Flexner, τον ιδρυτή του Princeton Institute of Advanced Studies. Ο τίτλος του είναι «Η χρησιμότητα της άχρηστης γνώσης». Ο Flexner ανέπτυξε μια ιδέα που είναι προφανής για όλους τους επιστήμονες, το γεγονός ότι όλα τα πρακτικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή μας ζωή προέρχονται από ανακαλύψεις στη βασική επιστήμη, αρχικά με κίνητρο την απλή περιέργεια, χωρίς καμία συγκεκριμένη εφαρμογή στο μυαλό αυτών που τις ανακάλυψαν. Το λέιζερ, η μαγνητική τομογραφία, τα ατομικά ρολόγια και το GPS είναι καλά παραδείγματα. Πολύ συχνά αυτές οι εφευρέσεις έχουν έρθει με απροσδόκητο τρόπο και θα ήταν μεγάλες εκπλήξεις για τους επιστήμονες που ανακάλυψαν τα βασικά φαινόμενα που οδήγησαν σε αυτές. Ακόμα κι αν η αναζήτηση για εξωπλανήτες είναι εκ των προτέρων άχρηστη επειδή δεν θα πάμε ποτέ εκεί, μπορεί έμμεσα να είναι χρήσιμη, γιατί θα μας οδηγήσει στην ανάπτυξη οργάνων που θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα για την επίτευξη κάποιων πρακτικών στόχων.
Μόλις εξέτασα έναν επιστημονικό τομέα που περιλαμβάνει παρατηρήσεις και πειράματα. Αυτό είναι το είδος της φυσικής που γνωρίζω περισσότερο. Στους νέους επιστήμονες που έχουν ισχυρό μαθηματικό μυαλό θα πρέπει, φυσικά, να αναφέρω και το ιερό δισκοπότηρο, που θα ήταν η ανακάλυψη της κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας. Είναι ένα ανοιχτό πρόβλημα, του οποίου η λύση έχει διαφύγει από τους πιο ευφυείς θεωρητικούς μέχρι τώρα. Θα συμβούλευα κάθε νέο επιστήμονα που επιθυμεί να επιδιώξει αυτόν τον φιλόδοξο στόχο να παραμείνει ανοιχτός και σε άλλα ανοιχτά προβλήματα στη φυσική, για παράδειγμα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης ή στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας. Αυτά τα προβλήματα μπορεί να είναι λιγότερο προκλητικά, ευκολότερα στην αντιμετώπιση, και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις. Θα μπορούσαν, επίσης, να μας δώσουν κάποιες συμβουλές, για να φτάσουμε στο ιερό δισκοπότηρο.
Lu: Είναι μια μεγάλη ενοποίηση της φυσικής.
Haroche: Ναι, είναι η μεγάλη ενοποίηση. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, οι θεωρητικοί θα πρέπει να παραμείνουν κοντά στους πειραματιστές και στην παρατήρηση. Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που μας δίνουν πολλές πληροφορίες για τη φυσική των μαύρων τρυπών μας φέρνει πίσω στο είδος της φυσικής που αγαπώ, με βάση τις παρατηρήσεις που απαιτούν όλο και πιο ακριβή και πιο ευαίσθητα όργανα. Μπορεί κανείς να σκεφτεί την επόμενη γενιά οπτικών ρολογιών που μπορεί να γίνουν ευαίσθητα στις διαταραχές της χωροχρονικής καμπυλότητας που προκαλείται από τη διέλευση των βαρυτικών κυμάτων. Γνωρίζω ότι οι πρωτοπόροι των οπτικών ατομικών ρολογιών, άνθρωποι όπως ο Jun Ye, ενδιαφέρονται γι’ αυτή την πιθανή εφαρμογή των συσκευών τους.
Lu: Ναι, όλα αυτά είναι συναρπαστικά θέματα. Μιλώντας για αναζήτηση ευφυΐας έξω από εμάς, στο σύμπαν, θα ήθελα να σας προσκαλέσω να επεκτείνετε το ταξίδι σας στην Κίνα. Θα πρέπει να επισκεφτείτε το Guizhou. Οι επιστήμονες κατασκεύασαν έναν τεράστιο, μεγαλύτερο δέκτη ραδιοσυχνοτήτων στον κόσμο, που ονομάζεται σε συντομογραφία FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope). Κάνει αρκετά ενδιαφέροντα πειράματα. Και επίσης, υπάρχει ένα πολύ όμορφο τοπίο γύρω, με πολλά ψηλά βουνά και ούτω καθεξής.
Haroche: Μιλώντας γι’ αυτό, υπάρχουν έργα κατασκευής γιγαντιαίων τηλεσκοπίων με τη σύζευξη οπτικών τηλεσκοπίων μεταξύ τους, με συνδέσμους που χρησιμοποιούν κβαντική τεχνολογία. Ο καθηγητής Jianwei Pan προσπαθεί να εκμεταλλευτεί τα κβαντικά χαρακτηριστικά, για να «κλειδώσει» τις διατάξεις μεταξύ τους και να εξαγάγει πληροφορίες που καταφθάνουν με συμφωνία φάσης από διαφορετικές τοποθεσίες. Είναι επίσης κάτι πολύ συναρπαστικό. Αλλά ας μην ξεχνάμε ότι, ακόμα κι αν συλλέξουμε πολλές πληροφορίες για περιοχές του σύμπαντος μακριά μας, είναι βέβαιο ότι θα παραμείνουμε στον πλανήτη μας. Πρέπει να προστατεύσουμε τη Γη από τα πολύ άσχημα πράγματα που συμβαίνουν, συμπεριλαμβανομένης της κλιματικής αλλαγής και των απειλών για το περιβάλλον και τη βιοποικιλότητα. Η εργασία σε αυτούς τους τομείς θα πρέπει επίσης να είναι ο στόχος των νέων γενεών επιστημόνων.
Lu: Τώρα, ας περάσουμε στην τελευταία ερώτηση. Εκτός από την έρευνα, είστε επίσης πολύ παθιασμένος με την επιστημονική εκπαίδευση. Όπως αναφέρατε, έχετε γράψει μερικά επιστημονικά βιβλία. Μπορείτε να τα συστήσετε στο κοινό; Έχουμε μέσα σε αυτό το κοινό πολλούς νέους φοιτητές και πιθανούς αναγνώστες.
Haroche: Έχω γράψει δύο βασικά βιβλία. Το πρώτο, Exploring the Quantum, που γράφτηκε με τον Jean-Michel Raimond, απευθύνεται σε μεταπτυχιακούς φοιτητές στη φυσική. Περιγράφει τη φυσική των ατόμων που αλληλεπιδρούν με φωτόνια σε κοιλότητες και απεικονίζει θεμελιώδεις έννοιες των υπερθέσεων καταστάσεων, της κβαντικής σύμπλεξης, των κβαντικών μη καταστροφικών μετρήσεων κ.λπ.
Πρόσφατα, έγραψα ένα πιο δημοφιλές βιβλίο που ονομάζεται La lumière révélée (Αγγλικά: The Science of Light) που μόλις μεταφράστηκε στα κινεζικά (Εικ. 1). Περιγράφοντας πώς η ανθρωπότητα απέκτησε στη διάρκεια των αιώνων τις γνώσεις της για το φως, εκφράζω τον θαυμασμό μου μου για την πρόοδο της επιστήμης γενικότερα. Η επιστημονική μέθοδος ξεκίνησε τον 17ο αιώνα με τις ποσοτικές μετρήσεις του χώρου και του χρόνου, επιτρέποντας την πρώτη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Ξεκινώντας το βιβλίο μου εκείνη τη στιγμή, προσπάθησα να ακολουθήσω τη γενεαλογία των ιδεών από τον Γαλιλαίο μέχρι τη σύγχρονη επιστήμη. Με γοητεύει η συνεχής πρόοδος της επιστημονικής γνώσης που απεικονίζεται από την ιστορία του φωτός, η οποία περιλαμβάνει μια συνεχή ανταλλαγή μεταξύ παρατήρησης, πειραμάτων και θεωριών αξιολογώντας τα και κάνοντας νέες προβλέψεις. Η διήγηση αυτής της ιστορίας μου έδωσε επίσης την ευκαιρία να αναλογιστώ τη ζωή επιστημόνων και μελετητών, όχι μόνο φυσικών, αλλά και μαθηματικών, εξερευνητών και φιλοσόφων που έχουν συμβάλει στη σταδιακή αύξηση των γνώσεών μας για το φως.
Εικ. 1. Η αγγλική και κινεζική έκδοση του βιβλίου του S. Haroche «La lumière révélée»
Ήθελα επίσης να δείξω σε αυτό το βιβλίο ότι υπάρχει μια μόνιμη και γόνιμη αλληλεπίδραση μεταξύ της βασικής και της εφαρμοσμένης επιστήμης. Οι βασικές ανακαλύψεις σχετικά με το φως οδήγησαν στην εφεύρεση νέων οργάνων, τηλεσκοπίων, φασματόμετρων, συμβολόμετρων, λέιζερ, ατομικών ρολογιών κ.λπ. Αυτά τα όργανα, των οποίων η ευαισθησία βελτιώνεται συνεχώς, επέτρεψαν στους επιστήμονες να κάνουν πιο ακριβείς παρατηρήσεις και να ανακαλύψουν νέα φαινόμενα που οδηγούν την επιστήμη σε νέες κατευθύνσεις, με αποκορύφωμα τη θεωρία της ειδικής και γενικής σχετικότητας, την κβαντική φυσική και τις συναρπαστικές ανακαλύψεις στην κοσμολογία. Είμαστε ακόμα σε αυτήν τη διαδικασία τώρα. Για παράδειγμα, εάν μια μέρα ανακαλύψουμε έναν τρόπο να συμβιβάσουμε τη γενική θεωρία της σχετικότητας με την κβαντική φυσική, αυτός θα προέλθει από πιο ακριβή πειράματα ή παρατηρήσεις που αποκαλύπτουν νέα πράγματα για τη φύση. Αυτό θα περιλαμβάνει νέα όργανα, είτε πιο ισχυρούς επιταχυντές είτε πιο ακριβή ατομικά ρολόγια ή ατομικά συμβολόμετρα. Γράφοντας αυτό το βιβλίο, ήθελα απλώς να ενημερώσω το ευρύ κοινό για τη μεγάλη περιπέτεια της σύγχρονης επιστήμης. Για να κάνω το βιβλίο πιο προσωπικό, έχω μιλήσει και για τη ζωή μου ως επιστήμονας, από τις πρώτες μέρες της εκπαίδευσής μου στη φυσική μέχρι τα πειράματα που έκανα με την ερευνητική μου ομάδα. Προσπάθησα να μεταφέρω την ιδέα ότι η επιστήμη είναι μια περιπέτεια στην οποία συμβάλλουν όλοι οι άνθρωποι που προέρχονται από διαφορετικά υπόβαθρα. Όλοι οι επιστήμονες ανήκουν στην ίδια κοινότητα ανθρώπων, που μοιράζονται το ίδιο πάθος για την αλήθεια. Αυτή είναι η ομορφιά της έρευνας που ήθελα να εκφράσω σε αυτό το βιβλίο.
Ένας από τους Κινέζους φοιτητές στην ομάδα μας στο Παρίσι, ο Δρ. Haiteng Wu, είχε την καλοσύνη να επιβλέψει την κινεζική μετάφραση και να γράψει έναν πρόλογο για το κινεζικό αναγνωστικό κοινό. Όταν πήρα το αντίγραφο στα κινεζικά, με έκπληξη είδα ότι είναι πολύ πιο λεπτό από τις εκδόσεις του βιβλίου στις ευρωπαϊκές γλώσσες. Οι κινεζικοί χαρακτήρες φέρουν προφανώς περισσότερες πληροφορίες ανά σύμβολο από το λατινικό αλφάβητο!
Lu: Ωραία, ευχαριστώ πολύ και πάλι, που αφιερώσατε πολύτιμο χρόνο από το πολυάσχολο πρόγραμμά σας για να δεχτείτε τη συνέντευξή μας. Μου άρεσε πολύ η συζήτηση μαζί σας.
Haroche: Ήταν απόλαυση. Σας ευχαριστώ για τις πολύ στοχευμένες και προκλητικές ερωτήσεις.
Ο Chao-Yang Lu είναι Καθηγητής Φυσικής με Έδρα στο University of Science and Technology, (USTC), της Κίνας. Ολοκλήρωσε τις προπτυχιακές σπουδές και το διδακτορικό του στο USTC και στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ το 2011. Έχει διοριστεί ως Αναπληρωτής Διευθυντής του Κέντρου Κβαντικών Επιστημών της Σαγκάης και ως Εκτελεστικός Διευθυντής του Τμήματος Κβαντικού Υπολογισμού στο Hefei National Laboratory από το 2022. Το τρέχον ερευνητικό του ενδιαφέρον περιλαμβάνει τον κβαντικό υπολογισμό, την κβαντική φωτονική στερεάς κατάστασης, τη κβαντική σύμπλεξη πολλαπλών σωματιδίων, την κβαντική τηλεμεταφορά, τα υπεραγώγιμα κυκλώματα και τις ατομικές συστοιχίες. Είναι συγγραφέας περισσότερων από 140 εργασιών σε μεγάλα ερευνητικά περιοδικά που έχουν συγκεντρώσει 28000 αναφορές.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Ευχαριστούμε τη διεύθυνση του περιοδικού Advanced Photonics και τις εκδόσεις SPIE για την παραχώρηση της άδειας μετάφρασης της συνέντευξης στα Ελληνικά.
YΠΟΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ
1 Ένα φυσικό φαινόμενο που εμφανίζεται, όταν δημιουργούνται ή αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κβαντικά σωματίδια ή σύνολα κβαντικών σωματιδίων με τέτοιο τρόπο, ώστε η κβαντική κατάσταση κάθε σωματιδίου να μην μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από την κατάσταση των άλλων σωματιδίων, ακόμη και όταν τα σωματίδια χωρίζονται από πολύ μεγάλες αποστάσεις. Η κατάσταση των σωματιδίων μπορεί να περιγραφεί μόνο ως σύστημα. Η κβαντική σύμπλεξη είναι ο «σκληρός» πυρήνας της κβαντικής πληροφορίας, του κβαντικού υπολογισμού, της κβαντικής κρυπτογραφίας και των κβαντικών τηλεπικοινωνιών.
2 Πρόκειται για έναν ειδικό τύπο μέτρησης πάνω σε ένα κβαντικό σύστημα όπου η αβεβαιότητα στην μέτρηση του παρατηρήσιμου φυσικού μεγέθους δεν αυξάνεται κατά την επακόλουθη εξέλιξη του συστήματος. Στην ουσία πρόκειται για τον πιο «κλασικό» και ελάχιστα διαταρακτικό τύπο μέτρησης στην κβαντική μηχανική.
3 Η οπτική άντληση είναι μια διαδικασία κατά την οποία το φως χρησιμοποιείται για την ανύψωση (ή την «άντληση») ηλεκτρονίων από ένα χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας σε ένα άτομο ή ένα μόριο σε ένα υψηλότερο. Χρησιμοποιείται συνήθως στην κατασκευή λέιζερ, έτσι ώστε να επιτευχθεί η αναγκαία αναστροφή πληθυσμού στο ενεργό μέσο του λέιζερ.
4 Η απότομη (σε αντίθεση με την βαθμιαία στην κλασική φυσική) μετάβαση ενός κβαντικού συστήματος από μια κατάσταση σε μια άλλη.
5 Στους κλασικούς υπολογιστές τo θεμελιώδες στοιχείο της πληροφορίας, το ένα bit, είναι στην πράξη κάποιο φυσικό σύστημα, το οποίο μπορεί να βρεθεί σε δυο διαφορετικές διακριτές καταστάσεις που αναπαριστούν δύο λογικές τιμές: ναι ή όχι, αληθής ή ψευδής, ή, απλά 1 και 0. Αν όμως επιλέξουμε ως bit, για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου το οποίο, μέσω ενός φυσικού μηχανισμού (για παράδειγμα η αλληλεπίδραση του ατόμου με το φως μιας συσκευής λέιζερ) εξαναγκάζεται να βρίσκεται σε δύο καθορισμένες καταστάσεις («τροχιές») γύρω από τον πυρήνα, τότε τα πράγματα αρχίζουν και γίνονται λίγο πιο περίπλοκα. Στην κβαντική μηχανική το ηλεκτρόνιο έχει την πιθανότητα να βρεθεί τόσο σε μια από δύο διαφορετικές καταστάσεις, όσο και σε μια σύμφωνη υπέρθεση (coherent superposition) των δύο καταστάσεων. Δηλαδή, το άτομο, έχει τη δυνατότητα να βρίσκεται τόσο στην κατάσταση 0, όσο και στην κατάσταση 1, ταυτόχρονα! Αυτές οι δύο καταστάσεις αποτελούν ένα qubit. Αξίζει να έχουμε υπόψη μας πως η υπέρθεση των δύο καταστάσεων καταρρέει, όταν επιχειρήσουμε μια μέτρηση στο σύστημα. Το αποτέλεσμα της μέτρησης μπορεί να είναι είτε 1 ή 0. Αν και η υπέρθεση είναι ένα φαινόμενο γνωστό στην κλασική φυσική, για παράδειγμα στην κυματική, εντούτοις η υπέρθεση κβαντικών καταστάσεων είναι εντελώς διαφορετικής φύσης, για την οποία δεν υπάρχει ανάλογο στον κλασικό κόσμο (Dirac P. A. M. 1958. The Principles of Quantum Mechanics, 4th edition. Oxford UK: Oxford University Press, p. 14).
Για μια πιο αναλυτική παρουσίαση αυτών των θεμάτων ο αναγνώστης μπορεί να καταφύγει σε παλαιότερο άρθρο του InScience (εδώ)
6 Ένας μηχανισμός που βασίζεται στη χρήση μιας ισχυρά εστιασμένης δέσμης λέιζερ που ασκεί απωστικές ή ελκτικές δυνάμεις σε σωματίδια με διαστάσεις που κυμαίνονται από 10–9 m έως 10–6 m. Με την οπτική λαβίδα μπορούμε να παγιδεύσουμε και να χειριστούμε την κίνηση του σωματιδίου.
7 Πρόκειται για την ικανότητα που έχει ένα κβαντικό σύστημα να διατηρεί μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης ή κβαντικής σύμπλεξης κατά τη διάρκεια της εξέλιξής του. Η απώλειά της (quantum decoherence) σηματοδοτεί την περιγραφή της δυναμικής του συστήματος από τους νόμους της κλασικής φυσικής.
8 Στις τηλεπικοινωνίες και στην τεχνολογία των υπολογιστών, η κλιμακωσιμότητα (scalability) είναι ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό ενός συστήματος, δικτύου ή διαδικασίας, που καταδείχνει την ικανότητά του είτε να χειρίζεται αυξημένα ποσά έργου είτε να επεκταθεί εύκολα. Για παράδειγμα, η κλιμακωσιμότητα μπορεί να αναφέρεται στην ικανότητά του συστήματος να αυξάνει τη συνολική του απόδοση, όταν έχει να χειριστεί αυξημένο φόρτο ή δεδομένα.
9 Στην ουσία πρόκειται για συσκευές λέιζερ με ένα διακριτό φάσμα συχνοτήτων, στο οποίο κάθε συχνότητα διαφέρει κατά το ίδιο ποσό από την προηγούμενη και την επόμενη. Θα λέγαμε πως οι συχνότητες μιας χτένας αποτελούν όρους μιας αριθμητικής προόδου.
10 H προσομοίωση από ένα σχετικά απλό κβαντικό σύστημα της δυναμικής ενός πολύπλοκου κβαντομηχανικού συστήματος, η οποία δεν μπορεί να μοντελοποιηθεί από έναν υπερυπολογιστή ή να διερευνηθεί πειραματικά (βλ. Lembessis, V. E., 2020. Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics. Bellingham, Washington USA: SPIE. https://spie.org/Publications/Book/2563827?SSO=1.)
